复合材料透明电极制造技术优化探究

近年来，研究者将不同种类的导电材料复合来制备透明电极，目的是结合不同材料的优势，提高透明电极的导电性、透光性、稳定性、耐用性、柔韧性等，实现低成本、高效性、批量化、应用广等目标。通常采用相互掺杂或多层混合的方式制备复合透明电极，如ITO/碳纳米管、ITO/金属、碳纳米管/石墨烯、碳纳米管或石墨烯/PEDOT∶PSS、碳纳米管/金属纳米粒子等。

（一）基于传统材料的复合

ITO与金属纳米粒子结合，可降低因ITO自身易碎、非柔性等缺点而导致电阻增大的问题。如采用多层ITO/Ag/ITO（ITO厚度为50 nm，Ag层厚度为8nm）的堆积结构，在550nm处的透光率为90%，方块电阻为15Ω/□，在弯曲度上增加了电子稳定性。也可将ITO与碳纳米管结合，在ITO断裂缝隙时增强电子稳定性；或将碳纳米管直接生长在ITO上，提高空穴提取能力。这种复合透明电极可应用在电阻式触摸屏或其他柔性器件。

（二）基于新材料的复合

基于新材料的复合制备的透明电极比单一材料制备的透明电极要好，在性能上得到很大提高，包括导电聚合物与碳纳米管或石墨烯复合、导电聚合物与金属网格复合、导电聚合物与金属纳米线复合、金属纳米线与氧化物复合、金属纳米线与碳纳米管或石墨烯复合等。

（1）导电聚合物与碳纳米管或石墨烯复合。石墨烯的功函数相对低（大约4.4eV，ITO为4.7～4.9eV），会导致在石墨烯阳极和上方的有机层之间注入空穴，限制了其作为有机光电器件的阳极的应用。此外，石墨烯表面电阻低，需要施加高的操作电压，因而限制了其作为光电器件的发光效率。采用导电聚合物PEDOT与石墨烯复合可提高功函数获得高的电流效率，同时可降低石墨烯材料的接触电阻，提高整体的光电性能。(www.xing528.com)

（2）导电聚合物与金属网格复合。Kim等采用凹胶印方式制作PEDOT∶PSS与银网格的复合电极，透光率达到89.9%，方块电阻为29.4Ω/□，比目前的ITO性能要好，如图2-62（a）所示。Zou和Galagan利用微接触印刷或丝网印刷的方式制备了正方形或蜂窝状网格状电极，然后再旋涂50nm厚的PEDOT∶PSS层形成一种混合透明电极，并用这种电极制作出倒置结构的有机太阳能电池，光电转化效率接近于基于ITO的有机太阳能电极。

（3）导电聚合物与金属纳米线复合。Gaynor等人将银纳米线嵌入导电聚合物，形成的复合电极可替代ITO，作为有机光伏的透明电极，提升了有机光伏电池的性能，得到高质量器件。这种复合过程不需要真空或高温处理，且具有很好的机械应力。Kim等人通过刷涂的方式，如图2-62（b）所示，将银纳米线嵌入PEDOT∶PSS层中，得到PEDOT∶PSS/Ag纳米线/PEDOT∶PSS的多层柔性电极，结合了PEDOT∶PSS的柔性和银纳米线的低电阻率，使薄膜电阻可达到13.96Ω/□，透光率达到80.48%，主要应用在柔性太阳能电池中。经过弯曲测试，电极的电阻基本不改变，比较稳定。

图2-62　复合材料制备的透明电极

（4）金属纳米线与氧化物复合。Zilberberg等研究出银纳米线与溶胶—凝胶法得到的锡氧化物或原子层沉积法得到的铝掺杂的氧化锌复合，复合后的薄膜电阻低至5.2 Ω/□，透过率为87%，同时纳米线与基底的附着力也得到提高，而且使整个复合层成为电接触器件的有效面积。Kim等制备了铝掺杂的氧化锌/银纳米线/铝掺杂的氧化锌/氧化锌多层复合电极，优于其他溶液法的透明电极，应用在铜铟镓硒薄膜太阳能中，能量转化效率为11.03%，作为一种具有成本效益、可持续的替代电极，在光电子和光伏器件中具有潜在应用。

（5）金属纳米线与碳纳米管、石墨烯复合。Stapleton等报道了一种基于溶液处理法得到的银纳米线/单壁碳纳米管透明电极，由于碳纳米管和银纳米线网络相互交织和增强了次级导电路径，在单壁碳纳米管质量分数为50%时，达到极好的光学和电学性能。Alam等将化学气相沉积的单层石墨烯与银纳米线复合，如图2-62（c）所示，石墨烯的高电阻的晶界被银纳米线导通，银纳米线的高电阻被石墨烯导通，获得薄膜电阻为22Ω/□、透光率为88%的透明电极，并且稳定性、机械压力、机械柔性等均优于ITO电极。Moon等在PET上采用氧化石墨烯分散液和银纳米线复合，得到均一性好、薄膜电阻低、透光率高、大面积、柔性的石墨烯/银纳米线/PET的透明电极。除采用石墨烯与银纳米线外，Kholmanov等用氧化石墨烯与铜纳米线复合得到高附着力的混合透明薄膜，比纯的铜纳米线电导率高，并且氧化的石墨烯可作为铜纳米线的保护层阻止铜纳米线的氧化，如图2-62（d）所示。